KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER - 7

Chia sẻ: Cao Tt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

thông. Do đó, hệ thống này thích hợp cho BWAN khi mà số lượng BS yêu cầu khá lớn nhưng lưu lượng mạng thì không nhiều, thỏa mãn một số yêu cầu của vùng ngoại ô và nông thôn. 2.5.2 Kiến trúc mạng Kiến trúc mạng BWAN được mô tả như hình 2-12. Mạng bao gồm 1 CS với K TRX, N BS và nhiều trạm thuê bao SS (subscriber station) cố định, và mỗi BS kết nối đến CS bởi 2 sợi quang cho tuyến uplink và downlink một cách riêng biệt. Để nối từ CS đến nhiều BS, các thiết...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER - 7

thông. Do đó, hệ thống n ày thích hợp cho BWAN khi mà số lượng BS yêu cầu khá lớn nh ưng lưu lượng mạng thì không nhiều, thỏa mãn một số yêu cầu của vùng ngoại ô và nông thôn. 2.5.2 Kiến trúc mạng Kiến trúc mạng BWAN được mô tả như hình 2-12. Mạng bao gồm 1 CS với K TRX, N BS và nhiều trạm thuê bao SS (subscriber station) cố định, và mỗi BS kết nối đến CS bởi 2 sợi quang cho tuyến uplink và downlink một cách riêng biệt. Để nối từ CS đến nhiều BS, các thiết bị quang thụ động được sử dụng như là bộ gh ép hình sao hay b ộ cộng/ph ân chia quang với đặc tính là các thiết bị này ít nhạy cảm với bước sóng. Do mạng được ứng dụng vùng ngoại ô và nông thôn nên khoảng cách từ CS đến các BS là rất lớn. Vùng phủ sóng của mỗi BS đ ược gọi là cell. Chức năng duy nhất của BS trong mạng chỉ đơn giản là chuyển đối tín hiệu từ dạng quang sang RF và ngược lại, BS cũng không có chức năng xử lý tín hiệu n ào. Trên thực tế, kiến trúc mạng n ày được cải tiến nhiều với những đặc tính thêm vào và sử dụng thêm các công nghệ mới hơn.Mỗi TRX trong mạng CS bao gồm 1 RF modem và một cặp TT-TR (tunable transmit – tunable receiver), có khả năng điều chỉnh tần số trong khoảng bước sóng λi, 1 ≤ i ≤ N. Các bộ điều chỉnh bước sóng phải có thời gian điều chỉnh bước sóng là không đáng kể, hay thực tế các TRX phải có thời gian điều chỉnh trong khoảng vài chục nano-giây. Modem trong mỗi TRX có khả năng thay đổi kênh RF đ ể điều chế và giải điều chế. Các BS hoạt động ở các bước sóng cố định nên nó có thể sử dụng được các bộ lọc quang thụ động, đ ơn giản. Mỗi b ước sóng có thể được sử dụng nh ư sóng mang cho cả dữ liệu truyền dẫn tuyến uplink lẫn
downlink. Vì vậy, mạng trên thuộc loại broadcast-and-select khi bất kỳ bộ TRX n ào ở CS đều có thể truy nhập vào b ất cứ BS nào b ằng cách điều chỉnh tần số thích hợp, trừ phi có sự động độ các bước sóng. Và cuối cùng, trong kiến trúc n ày ta tất nhiên K < N. Hình 2.12 Kiến trúc mạng RoF bao gồm K bộ thu phát (TRX) và N trạm BS. 2.5.3 Hoạt động
Ta xét mạng hoạt động theo kiểu TDMA/TDD. Để mỗi TRX có thể phục vụ một BS, nó phải biết được bước sóng và kênh tần số RF đ ược dùng ở BS đó. Về phần kênh RF, ta giả sử rằng kênh RF đ ã đ ược ấn định trước và cố định cho mỗi BS. CS sẽ giữ một bảng danh sách các số BS ID, các b ước sóng và kênh RF của BS đó. Với tuyến truyền dẫn downlink từ CS tới BS i, dữ liệu của user đầu tiên được điều chế sang miền RF, sau đó được điều ch ế sang sang miền quang tại tần số λi. Tín hiệu quang này được truyền trên tuyến downlink tới BS i, tại đó các tín hiệu quang được chuyển đổi lại sang miền vô tuyến và b ức xạ bởi ănten tại cái BS. Còn ở tuyến uplink, tín hiệu RF nhận được tại BS sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu quang tại tần số cố định λi. Sau đó nó được truyền về TRX trên tuyến uplink, TR sẽ giải điều ch ế tín hiệu quang tại tần số λi. Sau đó nó được giải điều chế th êm một lần nữa trên miền RF để lấy ra dữ liệu của người dùng. Với cấu trúc mạng như trên th ì không thể có quá 2 TRX cùng điều khiển một BS, bởi vì nếu như vậy thì sẽ xảy ra hiện tượng chồng lấn tần số. Do đó, băng thông của mạng bị giới hạn bởi số TRX và bằng K lần băng thông của mỗi bộ TRX. Để tăng dung lượng của mạng, ta có thể tăng số lượng bộ TRX lên, và số lượng bộ TRX này như thế nào là tùy thuộc vào lưu lượng mạng của vùng đó. Hiện nay, giờ kỹ thuật ghép kênh DWDM nên mỗi CS có thể kết nối đến h àng trăm BS mà không bị hiện tượng thiếu bước sóng. Hơn nữa, do mạng hoạt động ở băng tần mm nên dung lượng của mỗi TRX là đ ến hàng trăm Mbps, trong khi đó với lưu lượng dữ liệu không lớn vài chục Mbps thì chỉ cần một số ít TRX đã có thể phục vụ được cho toàn bộ lưu lượng mạng. Tóm lại, với kiến trúc mạng đưa ra thì ta đã thấy đ ược 2 ưu điểm của mạng có thể ứng dụng cho nông
thôn và ngoại ô đó là (1) khả năng ấn định băng thông linh hoạt và hiệu suất sử dụng băng thông cao (2) dễ dàng mở rộng dung lượng hệ thống khi cần thiết. 2.5.4 Giao thức truy nhập mạng Do độ trễ truyền các gói từ CS tới các BS trong mạng RoF có thể rất lớn so với thời gia n truyền dẫn của mỗi gói, do đó các giao thức MAC như CSMA không thể thích hợp khi ứng dụng vào mạng. Vì vậy kiến trúc dự thảo trên cần phải kết hợp với giao thức MAC tập trung tại CS để có được một giao thức truy nhập mạng không đụng độ. Ta sẽ tìm hiểu giao th ức đó trong ph ần này.
Hình 2.13 Cấu trúc khung (các đoạn bảo vệ được lượt giản).  Cấu trúc khung: toàn bộ thời gian được chia thành các super-frame có chiều dài cố định như h ình 2.13. Với mỗi super- frame như vậy th ì nó lại được chia thành các frame có kích thước nhỏ hơn, có chiều dài tùy ý miễn là nó thỏa mãn điều kiện: L  t Fj  t SF (2.5.1) j 1 với L biểu thị số BS được hỗ trợ bởi một TRX, và nó phụ thuộc vào lưu lượng của mạng ở mỗi BS và mỗi TRX có một hệ số L khác nhau.
Mỗi frame đ ược bắt đầu với trường “beacon” bao gồm BS ID và “slot asignment map”, nó cho biết cấu trúc các khe thời gian (th ời điểm bắt đầu và kết thúc) dành cho mỗi SS. Trường tiếp theo là “reservation minislot”, để khi mỗi SS truy nhập vào trường thông tin này nó có thể dành trước một khe thời gian để truyền dữ liệu. Tùy thuộc vào từng bộ TRX m à mỗi CS sẽ quyết định có bao nhiêu minislot dành cho mỗi BS. Ở tuyến uplink th ì trường “reservation minislot” bao bồm SSID và tham số QoS để bảo đảm chất lượng kênh truyền. Để giải qu yết vấn đề tranh chấp, một phương pháp đơn giản đ ược sử dụng là p- persistence. Tiếp theo là trường “broadcast” dùng để quảng bá thông tin của mạng, và cuối cùng là các khe được ấn định cho lưu lượng tuyến uplink và tuyến downlink dành cho mỗi SS mà nó đã được chỉ ra trong trường “asingment map”. Do các minislot này có chiều dài có thể thay đổi được nên mỗi SS có thể yêu cầu mạng th êm băng thông nếu cần thiết. Mỗi CS bao gồm K TRX, nên có thể có đến K super-frame được hoạt động đồng thời cùng một lúc. Và đ ể TRX có thể chiếm quyền điều khiển 1 BS nó cần phải có một số thông tin thích hợp như bước sóng của BS đó để bộ TT và TR điều chỉnh tần số hoạt động ở bước sóng thích hợp, kênh RF được dùng ở BS để điều chế lên miền tần số RF. Một bảng liệt kê (scheduler) ở CS sẽ cung cấp thông tin này để điều khiển mỗi TRX.  Scheduling – lập biểu: kỹ thuật scheduling trong mạng vô tuyến băng rộng là khá phức tạp, trong phần này ta ch ỉ tìm hiểu những yêu cầu của thuật toán scheduling với kiến trúc đã đưa ra với một trường hợp đơn giản nhất đó là mỗi TRX có dung lượng mỗi khe dữ liệu là cố định và b ằng C và yêu cầu băng thông cho mỗi lưu lượng thuộc dạng hướng kết nối n ày là cố định trong toàn bộ thời gian. Do đó, cần phải hiệu chỉnh dung lượng cho khung tiếp theo. Công việc chính của scheduler là
ấn định các khung tới TRX sao cho nó đạt được hiệu suất sử dụng băng thông cao nhất và tránh kh ả năng đụng độ bước sóng. Kết quả của bài toán sẽ cung cấp cho chúng ta biết được mỗi TRX với những thông tin như bước sóng hoạt động, thời điểm và kho ảng thời gian hiệu chỉnh ở bước sóng đó, kênh RF tương ứng cho mỗi BS. Nó cũng chuẩn bị các khối dữ liệu hướng downlink cho mỗi BS và kết hợp chúng với TRx tương ứng ở mỗi khung thời gian. Như ta đã biết, mạng BWAN của chúng ta đang nghiên cứu có đến hàng trăm BS được kết nối đến một CS, do đó thuật toán scheduling cần phải nhanh chóng và đơn giản. Vấn đề khó nhất trong thuật toán scheduling đó là làm th ế nào đ ể đóng gói N frame thuộc sở hữu của N BS th ành K super-frame. Nếu cho phép phân đoạn các frame thì hiệu suất sử dụng băng thông của mạng sẽ cao hơn mặc dù phải có thêm các đoạn overhead. Tuy nhiên n ếu sử dụng thuật toán cho phép phân mảnh các đoạn thì lại gây nên hiện tượng chồng lấn bước sóng. Với một yêu cầu lượng Bnew trong mỗi super-frame ở BS i phải thỏa mãn 2 đ iều kiện dưới đây: i (i ) BU  Bnew  C N (ii ) BUj  Bnew  K .C j 1 trong đó BUj là băng thông đang được sử dụng tại BS j. Điều kiện thứ nhất là để tránh hiện tượng chồng lấn bước sóng, điều kiện thứ hai là để tổng lưu lượng bé hơn lưu lượng cho phép của mạng.
Hình 2.14 Ví dụ: 5 frame được chèn vào 2 super-frame với frame thứ 3 bị chia thành 2 phần. 2.5.5 Kết luận Trong kiến trúc mà chúng ta đang xem xét, chúng ta mới chỉ mới hiểu được vấn đề là sử dụng bước sóng quang cho mỗi BS chọn trước, tuy nhiên khi số lượng BS được chọn là độc lập và lớn h ơn số lượng số b ước sóng sẵn có (do giới hạn của kỹ thuật WDM), chúng ta cần phải mở rộng h ơn k ỹ thuật ghép kênh (thời gian, không gian, phân cực tín hiệu, mã, sóng mang con,…) để có thể kết h ợp với WDM, tuy nhiên nó cũng làm tăng giá thành phần cứng của mạng do độ phức tạp. Để hoàn thiện mạng truy nhập vô tuyến này người ta đã cung cấp nhiều cách để gia tăng số lượng BS mà không bị phụ phụ thuộc và sự truy cập với CS trong khi cấu hình mạng vẫn có được sự đ ơn giản cần thiết 1.6 2.6 Tổng kết
RoF là một kỹ thuật rất hay để kết hợp truy nhập vô tuyến và truy nhập quang. Nó kết hợp hai môi trường lại với nhau, đó là sợ quang và vô tuyến, và đó là một trong những cách tương đ ối đơn giản để truyền các tần số vô tuyến (băng rộng) hay tín hiệu baseband trên sợi quang. Nó sử dụng các tuyến quang tương tự để truyền dẫn và phân phối các tín hiệu vô tuyến giữa CS và một số lượng lớn các BS. Từ khi nó bắt đầu được giới thiệu lần đầu tiên bởi Cooper vào năm 1990 cho đến nay, rất nhiều nghiên cứu nhằm vượt qua những khó khăn của kỹ thuật và thiết kế một BS thật đơn giản. Hiện nay, nó đ ã b ắt đầu đi vào giai đoạn nghiên cứu để có thể ứng dụng cho thương mại và cạnh tranh với những công nghệ băng rộng khác, và chúng ta có th ể hi vọng trong tương lai k ỹ thuật RoF có nhiều ứng dụng hơn nữa với giá thành thấp hơn. Nhưng dù thế nào đi nữa thì chúng ta cũng có thể thấy được 3 đặc điểm quan trọng của mạng ứng dụng kỹ thuật này so với các mạng truy nhập vô tuyến thông thường đó là: (1) nó trong suốt với băng thông, kỹ thuật điều chế vô tuyến và các giao thức lớp vô tuyến (2) BS đ ơn giản, nhỏ và (3) kiến trúc mạng tập trung. Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu được 3 ứng dụng của kỹ thuật RoF lên 3 kiểu mạng truy nhập vô tu yến khác nhau cho những ứng dụng khác nhau. Với 2 ứng dụng đầu, các cell có bán kính nhỏ và tính di động các user cao, do đó vấn đề quan trọng trong mạng đó là quản lý tính đi động. Vì vậy, ở 2 mạng này chúng ta tìm hiểu về giao thức MAC tích hợp khả năng chuyển giao nhanh và đơn giản dùng cho kiến trúc tập trung phù hợp với mỗi loại mạng. Mặc khác, ở mạng truy nhập vô tuyến dành cho các vùng ngoại ô và nông thôn thì cần phải sử dụng băng thông hiệu quả hơn, do đó nó phụ thuộc rất lớn vào kiến trúc mạng tập trung. Với những kết quả trên, nó đ ã chỉ ra rằng các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng ứng dụng kỹ thuật
RoF còn những vấn đề khó khăn cần giải quyết, để nó có thể cạnh tranh với những mạng truy nhập vô tuyến ngày nay. Trong khuôn khổ đề tài, chúng ta cũn g không đề cập đến vấn đề quản lý tài nguyên trong m ạng, đó là một điều rất quan trọng đối với mạng truy nhập vô tuyến. Tuy nhiên, với những gì tìm hiểu được thì RoF đang là một công nghệ hứa hẹn cho các dịch vụ vô tuyến đã ph ương tiện băng rộng và dung lượng lớn trong tương lai. Chương 3 HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT HỆ THỐNG ROF 1.7 3.1 Giới thiệu Ở chương này ta sẽ khảo sát một tuyến RoF cụ thể để xem nó ho ạt động như thế nào cũng như đánh giá các thông số của tuyến đó như cự ly, dung lượng, tỷ lệ bit lỗi,… Như ta đã biết, hiệu năng của một tuyến RoF sử dụng tần số mm, một phần bị giới hạn bởi mức nhiễu pha khi khôi phục sóng mang ở băng tần mm. Phần nhiễu pha này được tạo nên do 2 tần số quang trong kỹ thuật heterodyne không tương quan thực sự với nhau. Để đạt được sự tương quan, nhiều kỹ thuật vòng khóa pha được n êu ra, tuy chúng đ ều có những đặt tính tốt nhưng hầu hết chúng đều phức tạp, hay phải sử dụng những laser đặc biệt. Điều này không có lợi cho các BS đơn giản để giảm giá thành. Một kỹ thuật đ ơn giản nhưng có hiệu quả cao được đưa ra trong chương này đó là kỹ thuật OSSBC
(optical single-side-band modulation: điều chế quang đơn biên) áp dụng vào tuyến downlink. Với kỹ thuật n ày, khoảng cách tần số giữa tín hiệu và sóng mang phải ở một mức nhất định để giảm thiểu hiện tượng nhiễu pha trong sợi quang có độ tán sắc thấp. Ở tuyến downlink trong chương này, ta sẽ phân tích kỹ thuật OSSBC dựa trên các kỹ thuật đã được mô tả ở chương 1. Đối với tuyến uplink, cũng đã có nhiều phương pháp được đưa ra để cải tiến nó được chia làm 3 loại: RF over Fiber, BB over Fiber và IF over Fiber. Đối với phương pháp thứ nhất, tuy đạt được sự đơn giản trong cấu hình và đặc biệt là tái sử dụng sóng mang của tuyến uplink nhưng nó yêu cầu các linh kiện phức tạp hoạt động ở băng tần mm và đặc biệt là vấn đề tán sắc cho cự ly dài. Ở phương pháp thứ hai thì chúng ta phải giải điều chế sóng RF nhận được ở BS rồi mới truyền về CS ở băng tần gốc. Nhìn chung 2 phương pháp trên đều là gia tăng độ phức tạp của các BS. Phương pháp IF over Fiber, sóng mm nhận được phải được hạ tần xuống IF rồi mới truyền tiếp về CS trên sợi quang. Do đó, ở BS cần phải có một bộ dao động ở tần số mm, điều này sẽ làm tăng giá thành của BS lên vì bộ giao động. Có một phương pháp đ ể làm giảm bộ dao động n ày đó là “remote LO”, sóng LO được tạo ra ở đầu phát và đưa tới BS. Ở chương này ta sẽ tìm hiểu một phương pháp truyền dẫn cụ thể của kỹ thuật RoF cho cả tuyến uplink và downlink. 1.8 3.2 Một tuyến RoF cụ thể 1.9 3.2.1 Cấu hình hệ thống
Hình 3.1 Mô tả cấu hình hệ thống sẽ được khảo sát trong chương này. Hình 3.1 Tuyến RoF khảo sát sử dụng 2 bộ điều chế dual-Mach-Zehnder.